기계구성요소에 대하여(기어, 베어링, 공작기계)

오늘은 기계시스템에 들어가는기계 구성요소와 도구들에 대해서 알아보겠습니다. 베어링, 기어, 스큐류등 기계시스템에서 이러한 기계요소들이 없으면 전체 기계 시스템은 돌아가지 못하게 됩니다. 따라서 이러한 구성요소들은 중요하고 또 성능이 좋은 수록 가격은 천차만별로 달다 지게 됩니다.

베어링(bearing)은 모양과 재질에 관계없이 하중과 동력을 받은 상태에서 자체 윤활성 내지는 전동체(볼, 롤러)나 자체 미끄럼성을 이용하여 회전, 왕복, 측압(thrust), 각도요동 등의 다양한 운동형태로 힘을 전달시키거나 움직여주는 기계적 부품입니다. 베어링은 스프링이라고 봐도 될 것 같습니다.  베어링의 종류는 크게 2가지로 나눌 수 있습니니다. 정지하고 있는 물체하고 회전 또는 이동하고 있는 물체간에 정지하고 있는 쪽에서 일반적으로 에너지가 전달되고 그 에너지를 받아서 뭔가가 움직여야 되는데 그러면 정지하고 있는 것과 움직이는 것의 서로 기계적인 접촉에 의해서 마찰을 하고 있는 경우는 거의 없습니다. 물론 그런 경우도 있기는 합니다. 일반적인 경우는 그냥 접촉하면 마찰력이나 손실이 많이 발생하기 때문에 정지하고 있는 것과 회전하고 있는 것 사이에 무엇인가가 들어가야 합니다. 그런 역할을 하는 것이 일반적으로 베어링이라고 부릅니다.

구름요소베어링(rolling element bearing, rolling contact bearing)은 볼(구)와 롤러(원기둥)를 사용하여 베어링과 축 사이에 발생할 수 있는 어떠한 형태의 슬라이딩도 제거함으로써 마찰을 최소화한 베어링 입니다. 국제적으로 표준화, 규격화되어 있어서 호환성이 뛰어납니다. 기동마찰토크가 적고 운전마찰토크와의 차이도 적습니다. 따라서 정지했을 때나 움직일때 거의 같은 힘이 주어지면 움직에게 됩니다. 일반적으로 반경방향하중과 축방향 하중을 함께 받을 수 있습니다. 예압을 사용하여 강성을 높일 수 있습니다.. 보수와 점검이 용이합니다. 고정체와 회천에 사이에 들어가는 요소가 굴러가기 때문에 구름요소베어링이라고 부릅니다. 볼베어링에 들어가는 볼은 완전한 구인 상태가 좋습니다. 완전한 구가 아니면 볼이 돌아가면서 회전체를 계속해서 건드리게 되며 이는 회전체에 외부에서의 가진력이 주어진 것과 동일한 상태가 됩니다. 우리들이 타고 다니는 롤러도 이러한 베어링의 원리에 의해서 돌아간다고 합니다.  베어링에도 24시간에 축방향, 반경방향 하중을 견딜수 있는 베어링 카탈로그가 있습니다. 따라서 자신이 원하는 기계기구에 사용할만한 베어링인지를 그 카탈로그를 이용해서 판별할 수 있습니다. 베어링은 스프링과 거의 유사하다고 했는데 스프링 강성이 크면 변형이 작고, 베어링은 매우 스프링 강성이 큰 스프링이라도 볼 수 있습니다.  일반적으로 열을 이용해서 온도를 상승시킨 다음엥 볼을 끼워 놓습니다. 볼의 교체가 너무 자주 일어나면 볼베어링으로서의 그 성능이 떨어 진다고 합니다.

미끄럼 베어링(sliding bearing)은 상대적으로 운동하는 축과 베어링의 두 면 사이의 공간에 유체가 들어 있어 하중을 유체의 압력으로 지지하고, 두 면사이의 직접적인 접촉은 일어나지 않는 베어링입니다. 유막에 의한 감쇠력이 우수하여 충격흡수가 크고(댐핑이 크다) 소음진동에서 볼베어링에 비해 유리합니다.(자채 댐핑으로 작은 것은 흡수하기 때문) 점성 때문에 기동토크가 크지만 강성이 작은 큰 문제를 가지고 있습니다. 규격화보다는 자체 제작이 많습니다. 볼베어링은 회전체의 진동, 고정자하고 회전자사이에 볼이라는 직접적인 접촉이 있기 때문에 진동이 그대로 전달됩니다. 유체베어링은 자체에 감쇠능력을 가져서 작은 것은 흡수하는 장점이 있습니다. 기동토크가 커서 처음 기동할 때 볼베어링에 비해 상대적으로 많은 토크가 필요합니다.  유체베어링은 볼베어링에 비해서 강성이 작다는 큰 단점이 있어서 디자인할 때 여러가지 방법을 사용합니다. 사프트가 있으면 마이크로 미터 단위의 길을 빗살무늬 형태로 길을 만들 놓습니다. 강성이 작으면 지지할 수 있는 하중이 작아 기계적이나 화학적인 방법으로 이를 보완해야 합니다.

축과 베어링 사이의 압력유지 방법에 따라 정압베어링(static bearing), 동압베어링(dynamic bearing), 축과 베어링 사이에 작용하는 유체의 따라 유체베어링(hydro bearing), 공기베어링(air bearing)으로 분류할 수 있습니다. Airfoil 베어링은 만두 쪄먹는 기계와 형태가 비슷합니다. 수십만 RPM으로 회전하는 물체에 들어가는 베어링은 주로 공기나 유체 베어링을 사용합니다. 전기쪽에는 자기베어링(Magnetic bearing)이 있습니다. 회전체에 전자석을 4개 또는 6개를 배치합니다. 이론은 심플하나 제어가 어렵고 불안정해서 제한된 공간에서 외란이 없을 때나 사용가능합니다. 회전체가 원래 회전하는 쌔타각에서 얼마나 벗어난으며 그 벗어난 정도에 따라서 어느 정도의 전류를 전자석에 가해서 신속하게 복귀하게 해야 하는데 이는 매우 고도의 제어 기술이 필요합니다.  정압베어링은 압력을 일정하게 유지시켜주어야 하는데 이는 외부에서 공기를 계속해서 일정하게 투입하는 것으로 이루어 집니다. 기름에 이런 식으로 계속 주입해주면 됩니다. 하중을 받아도 계속 돌아가지만 성능은 우수하나배관이나 다른 것들이 필요해서 부피가 너무 크서 불편하다. 동압베어링은 한 번 유체를 집어 넣어주면 더이상 주입해줄 필요가 없습니다. 밀폐된  상황에서 자기스스로가 회전하면서 압력을 만들어 내는 것인 동압베어링입니다. 10000RPM이상은 대부분 유체 동압 베어링을 사용한다고 합니다. 

구름요소 베어링의 볼베어링은 볼, 축과 하우징에 취부하는 외륜(outer race)와 내륜(inner race) 둘다 회전하는 것입니다., 볼을 잡아주는 리테이너(separator)로 이루어져 있습니다. 볼베어링은 반경뱡향의 하중을 지지하는 radial ball bearing, 축 방향으로 하중을 받는 Thrust ball bearing, 윤활을 잘해 주어야 하는 Unsealed ball bearing 등이 있습니다. 롤러베어링은 점접촉인 볼베어링에 비해 선접촉으로 큰 하중을 지지하고 볼베어링에 비해 저속운전이 가능하며 선접촉에 의해 마찰력이 증가합니다. 원통 스트레이트 롤러 베어링(straight roller bearing)은 큰 반경방향 힘을 지지하는 Radial type과 큰 축방향 힘을 지지하는 Thrust type이 있습니다. 원추(테이프) 롤러 베어링(tapered roller bearing)은 축방향과 반경방향 힘을 동시에 지지합니다. 롤러 베어링이 원기동을 이용해서 하중을 지지한다면 원추 롤러 베어링은 원기둥이 아닌 밑과 끝의 비율이 다른 베어링 입니다.  볼베어링이 한계가 있어서 나온것이 유체베어링이라고 할 수 있습니다. 훨씬더 진동 특성이 좋고, 고속에서 유체 베어링은 사용되어 질수 있습니다.

기어(Gear)는 샤프트 사이에 회전, 토크, 그리고 파워를 전달하는 디바이스 입니다. 전기쪽에도 기어와 비슷하게 마그네틱기어를 만들어 냈다고 합니다. 효율이 매우 떨어지지만 반도체 공정 같은 데서는 사용한다고 합니다. 반도체 공정은 효율이 중요한 것이 아니라 진공 상태에 즉 기름이나 불꽃 등이 튀지 않는 전기식 기어가 필요하게 되는 것입니다. 여기서 비접촉인 마그네틱 기어가 사용되어 졌습니다. 스퍼기언느 일반적으로 가장 많이 볼 수 있는 기어입니다. 기어비가 1:10, 1:100 등으로 고정되어 있는 기어입니다. 고도의 기술력을 사용해서 디자인해서 마찰에 의한 손실률을 줄일 수 있으나 직접적으로 접촉이 되어 있어서 손실은 발생하게 됩니다. 장점은 1:10이라면 큰 기어를 한 바퀴 돌리면 작은 기어는 10바퀴가 회전하게 됩니다. 또한 속도를 10배 증가 또는 감소를 할 수 있습니다. 이러한 스퍼기어의 단점은 이빨이 부러질 수도 있고, 기어비가 세팅되어 있어서 원하는 만큼의 속도나 힘을 전달하기 힘드며, 소음이나 진동도 존재합니다. 또 다른 문제점은 입력축과 출력축의 위치가 같은 라인상에 없다는 것입니다. 즉 동축이 아닙니다. pitch circle은 개념적인 회전 실린더, Pressure line은 압력 각(피치 원에 접한느 접선과 두 기어의 작용선이 이루는 각), Base circle은 involute타입의 기어에서 기어 이빨의 형상은 베이스 서클의 인벌루트입니다. 기어의 이빨에 작용하는 힘은 압력 각에 의해서 결정되어 집니다. 기어 중에서 기어를 실로 한 바퀴 감고 팽팽하게 잡아 댕김다음 실이 풀리면서 실의 끝점이 만들어내는 곡선이 있는 데 이것을 Involute curve라고 합니다. 기어의 이빨현상은 이 Involute curve에 의해서 만들어집니다. 이렇게 해야지 이빨이 맞물려 돌아갈 때 소음도 나지 않고 백래쉬도 덜 일어나고 섬세하게 돌아가게 됩니다. 기어를 돌릴때 전혀 아무것도 물리지 않는 듯한 느낌이 드는 것이 백래쉬라고 합니다. 정방향으로 기어를 돌리다가 역방향으로 돌리면 약간 어긋나게 되는데 이러면 정밀제어가 힘들게 지게 됩니다.

Rack and pinion은 샤프트의 회전운동을 슬라이드의 선형운동으로 변환하는 기기입니다.  Bevel gear는 치가 원뿔대에 형성되어 있어 두 개의 축이 수직으로 만나야 되는 응용에 적합합니다. Helical gear는 기어 이빨이 축에 나란하지 않고 경사가 져 있어 부드럽게 메싱(meshing : 기어 이빨이 맞물려 돌아가는 것)이 가능하며 소음과 진동이 상대적으로 적습니다. Worm gear는 웜자체가 원형에 바디 주위로 여러 바퀴 감겨 있는 단지 하나의 치를 가지고 있고 웜이 한 바퀴 회전할 때 마다 웜기어는 단지 한 이빨만큼 전진합니다. 큰 감속비를 가지는 응용에 적합하고 웜기어의 치 형상은 인플루트 형상이 아닙니다. 치 사이에 심각한 슬라이딩이 발생합니다. 마찰에 의해 손실이 발생항고 열이 발생합니다. Planetary gear는 압력과 출력을 위해서 3개의 커넥션 포인트(선기어 : sun gear, 캐리어 : carrier, 링기어 : ring gear)가 존재합니다.

벨트와 체인은 두 축사이에 회전토크 파워를 전달하는데 사용합니다. 축 센타사이에 상대적으로 긴 working distance(동작거리)를 가집니다. 충격으로 부터 다른 요소들의 격리가 가능하고 이웃한 축 사이에 misalignment(비정현)을 약간 허용합니다. V벨트는 장력이 인가되어야 하며, 도르래와 마찰에의한 접촉을 하고 있습니다. V벨트의 바깥은 마찰을 발생시키기 위해 합성고무로 만들어져 있고 내부는 큰 토크를 전달하기 위해 강화 섬유로 구성되어 있습니다. 벨트와 도르래사이는 마찰에 의한 접촉이 이루어 지지만 약간의 미끄러짐이 발생합니다.(정밀 위치제어는 어렵다.) Timing belt는 두 샤프트의 회전이 동기화 되어야 하는 정밀회전에 적합하고 벨트(두 샤프트사이에 긴 동작거리 기계적 절연)와 기어(동기화가 가능)의 좋은 점을 결합한 벨트입니다.  Chain은 동기운동이 필요한 곳에 사용하고 큰 토크와 파워를 전달할 수 있습니다. 금속링크 구조를 가지며 일반적으로 벨트보다 큰 힘을 전달하며 높은 온도를 견딜 수가 있습니다.

Lead screw, ball screw는 회전운동을 선형운동으로 변환하는 가장 많이 사용하는 정밀한 운동변환 기구입니다. 단 고속에서는 사용하지 못해서 선형전동기를 사용합니다. Lead screw는 기본적으로 이빨이 있는 screw와 너트로 구성되어 있습니다. 너트는 screw주변을 회전할 수 없고, 선형 베어링에 의해서 지지됩니다. screw는 전동기에 의해서 회전하고 너트는 일반적으로 스큐류를 따라서 선형운동하는 장치를 가집니다. 가격은 비교적 저렴하지만 속도를 빠르게 하지 못하며 마찰에 의해 돌아가는 거라서 기름(윤활)이 계속있어서 합니다. Ball screw는 screw와 Nut사이에 구르브(홈이 파진것)에 정밀한 원형의 볼을 사용합니다. 이러한 것으로 backlash와 마찰을 줄일 수 있습니다. ball screw의 부하 전달능력은 lea screw에 비해 작습니다.(움직이는 부분 사이의 점접촉 때문) lead screw에 비해 마찰이 적습니다.

공작기계(Machine tools)는 금속이나 다른 강체들은 절단  grinding , shearing(전단)을 사용하여 가공하거나 형상을 만들기 위한 기계입니다. 즉 기계를 만들기 위한 기계입니다. 전단은 금영을 사용하여 재료에 일정 이상의 압력을 가하여 잘라내는 가공을 말합니다. 공작기계의 종류는 정한 깊이 만큼 연속해서 구멍을 뚫대 사용하는 Drill press, Band saw, 공작물을 파지하여 고속으로 회전, 공구의 날카로운 끝을 이용하여 현상을 가공하는 Lathe, 공작물의 표면을 평펴아게 가공하거나, 슬롯이나 구르브나 구멍을 팔때 사용하는 Mill, 인간의 직접적인 도움없이 선반이나 밀링 작업을 할 수 있는 자동화된 기계인 CNC(computer numerically controlled) machine, 한대의 공작기계가 여러 종류의 공개를 자동적으로 교환하면서 여러 종료의 가공을 하는 복합기능 기계인 MCT, ATC(Automatic tool change) 자동공구교환장치 등이 있습니다.

오늘은 기계 시스템에 사용되어지는 다양한 기계구용품들에 대해서 알아보았습니다. 그 중에서 기어는 일반적으로 많이 찾아 볼수 있는 구성요소입니다. 장난감 같은 데서 사용도 되어지고 간단하게 이빨을 맞추어서 돌려만 주면 되기 때문에 널리 쓰이는 것 같습니다.  저는 마그네틱 기어를 이용한 에너지 변환 기술이 참 신기하게 느껴졌고 이것에 대한 기술개발이 진행된다면 산업적으로도 큰 도움이 될 것 같다는 생각이 들었습니다.